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原文传递独立车轮导向技术研究

论文题名：	独立车轮导向技术研究
关键词：	独立车轮;车轮导向;转向架;主动导向;轮毂电机;轻轨车辆
摘要：	随着科学技术和城市化的发展，城市轨道交通已经成为大中城市公共交通的重要组成部分。在各种轨道交通工具中，低地板轻轨车辆由于造价低、上下车方便等因素而被欧洲和我国一些城市所接受，成为城市轨道交通的一种模式。实现轻轨车辆低地板化的关键是降低车轴的高度，以保证车内通道的贯通，解决该问题的主要措施是采用独立车轮。独立车轮是“独立旋转车轮”的简称，最简单的独立旋转车轮就是将传统的刚性轮对的左右车轮解耦，使它们各自独立地绕车轴旋转。由于车轴不再需要旋转，因而独立车轮轮对的车轴可以做成曲轴形状，甚至取消车轴，以满足低地板车辆的需要。与传统的刚性轮对相比，独立车轮理论上不存在纵向蠕滑力产生的回转力矩，因而不会产生蛇行运动，对提高稳定性有好处。但是这一优点也同时是它的缺点，因为独立车轮缺少了纵向蠕滑力矩的导向作用，因而降低了轮对的导向能力，大大限制了独立车轮的使用。如何提高独立车轮的导向能力，一直是本领域研究的热点问题之一。本文的目的对独立车轮的各种导向技术进行综合分析，并从以下三个方面来提高独立车轮导向能力。对于采用被动悬挂的独立车轮转向架，独立车轮的导向能力最终都依赖于重力复原力，而重力复原力取决于左右车轮的接触角差，因此设计具有较大接触角差的踏面是提高独立车轮的导向能力的基本措施之一。论文研究了采用接触角反推法设计独立车轮踏面的技术，介绍了接触角踏面反推法的原理及其实现，并针对不同的独立车轮走行部，提出了独立车轮踏面设计的原则，给出了设计实例。研究表明，接触角曲线踏面反推法对独立车轮的设计非常有效，并且能够实现踏面外形的计算机设计。对于采用被动悬挂的独立车轮转向架，在使用较大接触角差的踏面基础上，还应该采用具有径向功能的转向架。从原理上讲，具有径向功能的独立车轮转向架可分为两类：迫导向转向架和自调节转向架。迫导向转向架是通过迫导向机构，利用车体与转向架之间的相对转角或者是相邻车体之间的转角，迫使轮对趋向径向位置。论文研究了独立车轮耦合转向架—一种新型的迫导向转向架的导向原理，给出了其实现径向导向的条件，仿真分析了装用独立车轮耦合转向架的低地板轻轨车辆的曲线通过性能和直线复位特性，并设计了其关键部件—耦合机构。自调节独立车轮转向架是通过其独特的结构，仅仅依靠重力复原力来自动调节车轮的运动姿态，实现车轮横移和摇头运动的自动复位。论文介绍了自调节独立车轮轮副走行部的导向原理，分析了自调节独立车轮轮副走行部的基本特性，给出了自调节独立车轮的踏面设计原则，并仿真分析了装用自调节轮副走行部的车辆的曲线通过性能。主动悬挂技术为提高独立车轮的导向能力开辟了新的途径。独立车轮轮对的主动导向是利用轮对的状态信息，对轮对的摇头姿态或者左右车轮的转速进行控制，使轮对形成一个合理的冲角，从而产生有利的横向蠕滑力，引导轮对沿轨道运行。实现主动导向的关键因素之一是轮对运动状态的获取，而最容易测量的轮对运动状态是左右车轮的转速。论文研究了基于左右车轮转速差为反馈量的主动导向技术。对轮对姿态进行主动控制时，独立车轮轮对能够获得类似自由刚性轮对的导向性能，在补充了轨道曲率等信息后，轮对的中心能够达到线路的中心线，并分析了控制增益的稳定域以及控制器的鲁棒性。对左右车轮转速的主动控制是通过轮毂电机技术实现的，由于受到一系悬挂的约束，这时独立车轮轮对的导向性能逊于姿态控制，这是因为左右车轮转速控制时，轮对的冲角是由轮轨间的纵向蠕滑力矩形成，而姿态控制时轮对的冲角则是由作动器决定的。实际上采用左右车轮转速差为反馈量的转速控制的独立车轮轮对与弹簧一阻尼耦合轮对存在内在联系，它是耦合轮对的一种实现方式。论文最后讨论了独立车轮轮对的主动导向和稳定性的集成控制方法及其效果。
作者：	任利惠
专业：	车辆工程
导师：	沈钢
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文